Réacteur (à gauche) utilisé pour tester le nouvel émetteur thermique ; Gururaj Naik (à droite). Crédit : Gustavo Raskosky / Université Rice
Des chercheurs de l’Université Rice ont trouvé une nouvelle façon d’améliorer un élément clé des systèmes thermophotovoltaïques (TPV), qui convertissent la chaleur en électricité via la lumière. En utilisant une approche non conventionnelle inspirée de la physique quantique, l’ingénieur Rice Gururaj Naik et son équipe ont conçu un émetteur thermique capable de fournir des rendements élevés dans des paramètres de conception pratiques.
La recherche pourrait éclairer le développement du stockage électrique d’énergie thermique, qui est prometteur en tant qu’alternative abordable aux batteries à l’échelle du réseau. Plus largement, les technologies TPV efficaces pourraient faciliter la croissance des énergies renouvelables, un élément essentiel de la transition vers un monde zéro émission nette. Un autre avantage majeur de meilleurs systèmes TPV est la récupération de la chaleur perdue des processus industriels, ce qui les rend plus durables. Pour mettre cela en contexte, jusqu’à 20 à 50 % de la chaleur utilisée pour transformer les matières premières en biens de consommation finit par être gaspillée, ce qui coûte à l’économie américaine plus de 200 milliards de dollars par an.
Les systèmes TPV comportent deux composants principaux : des cellules photovoltaïques (PV) qui convertissent la lumière en électricité et des émetteurs thermiques qui transforment la chaleur en lumière. Ces deux composants doivent bien fonctionner pour que le système soit efficace, mais les efforts pour les optimiser se sont davantage concentrés sur la cellule photovoltaïque.
“L’utilisation d’approches de conception conventionnelles limite l’espace de conception des émetteurs thermiques, et vous vous retrouvez avec l’un des deux scénarios suivants : des dispositifs pratiques et peu performants ou des émetteurs hautes performances difficiles à intégrer dans des applications du monde réel”, a déclaré Naik, professeur agrégé de génie électrique et informatique.
Dans un nouvelle étude publié dans npj NanophotoniqueNaik et son ancien doctorat. l’étudiant Ciril Samuel Prasad, qui a depuis obtenu un doctorat en génie électrique et informatique à Rice et a assumé un rôle d’associé de recherche postdoctoral au Oak Ridge National Laboratory, a fait la démonstration d’un nouvel émetteur thermique qui promet des efficacités de plus de 60 % malgré son application. -prêt.
“Nous avons essentiellement montré comment obtenir les meilleures performances possibles pour l’émetteur, compte tenu de contraintes de conception réalistes et pratiques”, a déclaré Prasad, premier auteur de l’étude.
L’émetteur est composé d’une feuille métallique en tungstène, d’une fine couche d’un matériau espaceur et d’un réseau de nanocylindres de silicium. Lorsqu’elles sont chauffées, les couches de base accumulent un rayonnement thermique, que l’on peut considérer comme un bain de photons. Les minuscules résonateurs situés au sommet « parlent » entre eux d’une manière qui leur permet de « prélever photon par photon » de ce bain, contrôlant ainsi la luminosité et la bande passante de la lumière envoyée à la cellule photovoltaïque.
Un nouvel émetteur thermique développé par les ingénieurs de l’Université Rice, composé d’une feuille de métal en tungstène, d’une fine couche d’un matériau d’espacement et d’un réseau de nanocylindres de silicium promet des rendements supérieurs à 60 %. Crédit : Gustavo Raskosky / Université Rice
“Au lieu de nous concentrer sur les performances des systèmes à résonateur unique, nous avons plutôt pris en compte la manière dont ces résonateurs interagissent, ce qui a ouvert de nouvelles possibilités”, a expliqué Naik. “Cela nous a permis de contrôler la manière dont les photons sont stockés et libérés.”
Ces gains pourraient faire du TPV une alternative compétitive par rapport à d’autres technologies de stockage et de conversion d’énergie telles que les batteries lithium-ion, en particulier dans les scénarios où un stockage d’énergie à long terme est nécessaire. Naik a noté que cette innovation a des implications significatives pour les industries qui génèrent de grandes quantités de chaleur résiduelle, telles que les centrales nucléaires et les installations de fabrication.
“Je suis convaincu que ce que nous avons démontré ici, associé à une cellule photovoltaïque à faible bande interdite très efficace, présente un potentiel très prometteur”, a déclaré Naik. “Sur la base de ma propre expérience de travail avec la NASA et de lancement d’une startup dans le domaine des énergies renouvelables, je pense que les technologies de conversion d’énergie sont très nécessaires aujourd’hui.”
La technologie de l’équipe pourrait également être utilisée dans des applications spatiales telles que l’alimentation de rovers sur Mars.
“Si notre approche pouvait conduire à une augmentation de l’efficacité de 2 à 5 % dans de tels systèmes, cela représenterait un coup de pouce significatif pour les missions qui reposent sur une production d’énergie efficace dans des environnements extrêmes”, a déclaré Naik.
Plus d’informations :
Ciril Samuel Prasad et al, Émetteur thermique sélectif non hermitien pour la thermophotovoltaïque, npj Nanophotonique (2024). DOI : 10.1038/s44310-024-00044-3
Fourni par l’Université Rice
Citation: Une conception d’inspiration quantique augmente l’efficacité de la conversion de la chaleur en électricité (21 novembre 2024) récupéré le 21 novembre 2024 sur
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